Optimización del sistema de ventilación con el software Ventsim visual en la U E A Heraldos Negros de la compañía minera San Valentín S A – Huancavelica

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(1)UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE MINAS. “OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA DE VENTILACIÓN CON EL SOFTWARE VENTSIM VISUAL EN LA U.E.A. HERALDOS NEGROS DE LA COMPAÑÍA MINERA SAN VALENTÍN S.A. – HUANCAVELICA”. TESIS PRESENTADA POR:. Bach. VÍCTOR HUGO CONDORI CONDORI PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:. INGENIERO DE MINAS PROMOCIÓN: 2013 - I PUNO – PERÚ 2016.

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(3) DEDICATORIA A mi madre: Juana Condori Queque, por su apoyo incondicional a lo largo de mi vida. A mi esposa: Nelly Regina por el cariño que me brinda, por su comprensión y aliento en los momentos difíciles. A mi hija: Saida Nelly, razones que me ayudan a superarme cada día más.. iii.

(4) AGRADECIMIENTO -. Mi sincero agradecimiento a la Compañía Minera San Valentín S.A. por darme la oportunidad de elaborar el presente proyecto de investigación en la U.E.A. Heraldos Negros, aprendiendo, además, bonitas experiencias en sus labores subterráneas, de las personas a quienes debo expresar mi reconocimiento personal.. -. Va mi gratitud al Gerente de Operaciones Ingeniero Walther Melchor Rojas por compartir sus conocimientos y experiencias profesionales así mismo a todo el equipo de Planeamiento e Ingeniería de la Compañía Minera San Valentín S.A.. -. Expreso mi gratitud a todos los colaboradores de la Compañía Minera San Valentín S.A. en su Unidad Heraldos Negros, por compartir sus experiencias y conocimientos.. -. También expreso mi reconocimiento a todos los docentes de la Facultad de Ingeniería de Minas de la Universidad Nacional del Altiplano – Puno, quienes con una labor intelectual grandiosa aportaron a mi formación profesional.. iv.

(5) ÍNDICE GENERAL Pag. DEDICATORIA………………………………………………………………………...iii AGRADECIMIENTO ..................................................................................................... iv ÍNDICE GENERAL ......................................................................................................... v ÍNDICE DE TABLAS ..................................................................................................... xi ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................. xiv RESUMEN ..................................................................................................................... 15 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 16 CAPÍTULO I PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1. DESCRIPCIÓN DE LA REALIDAD PROBLEMÁTICA ................................ 18. 1.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ................................................................ 19. 1.2.1 Pregunta general .................................................................................................. 19 1.2.2 Preguntas específicas .......................................................................................... 19 1.3. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN........................................................... 20. 1.3.1 Objetivo general .................................................................................................. 20 1.3.2 Objetivos específicos .......................................................................................... 20 1.4. JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN................................................... 20 v.

(6) CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO 2.1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN ................................................. 22. 2.2. BASES TEÓRICAS ............................................................................................ 23. 2.2.1 Leyes de Kirchhoff.............................................................................................. 23 2.2.2 Método de Hardy Cross ...................................................................................... 25 2.2.3 Circuitos de ventilación ...................................................................................... 26 2.2.4 Ley básica de la ventilación de minas ................................................................. 31 2.2.5 Ecuación de energía total .................................................................................... 32 2.2.6 Ecuación modificada de energía ......................................................................... 33 2.2.7 Pérdidas de presión ............................................................................................. 34 2.2.8 Presiones de una mina ......................................................................................... 35 2.2.9 Presión estática .................................................................................................... 35 2.2.10 Presión de velocidad (Pv) ................................................................................... 35 2.2.11 Pérdida de presión por fricción ........................................................................... 36 2.2.12 Fórmula de Atkinson ........................................................................................... 36 2.2.13 Factor de fricción ................................................................................................ 38 2.2.14 Pérdida por choque.............................................................................................. 38 2.2.15 Ventilación de minas subterráneas y circuitos de ventilación ........................... 40 vi.

(7) 2.3. DEFINICIONES CONCEPTUALES ................................................................. 43. 2.4. FORMULACIÓN DE HIPÓTESIS .................................................................... 48. 2.4.1 Hipótesis general ................................................................................................. 48 2.4.2 Hipótesis específicos ........................................................................................... 49 CAPÍTULO III METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 3.1. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN ................................................................. 50. 3.2. MÉTODOS DE INVESTIGACIÓN ................................................................... 50. 3.3. PROCESAMIENTO DE DATOS ...................................................................... 51. 3.4. POBLACIÓN ...................................................................................................... 51. 3.5. MUESTRA.......................................................................................................... 51. 3.6. OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES .................................................. 51. 3.6.1 Variable independiente ....................................................................................... 51 3.6.2 Variables dependientes ....................................................................................... 52 3.7. TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS ................................................. 52. 3.7.1 Instrumentos de recolección de datos ................................................................. 52 3.7.2 Toma de datos de campo ..................................................................................... 54 3.7.3 Análisis de datos ................................................................................................. 55 3.7.5 Diseño de circuitos de ventilación y caracterización de ventiladores ................. 56 vii.

(8) 3.7.6 Caracterización en software Ventsim Visual ....................................................... 57 3.7.7 Cálculo de caudal global requerido ..................................................................... 57 3.7.8 Requerimiento y cobertura de aire U.E.A. Heraldos Negros .............................. 60 3.7.9 Ventilación del proyecto ..................................................................................... 66 3.7.10 Modelamiento del sistema actual ........................................................................ 67 CAPÍTULO IV CARACTERIZACIÓN DEL ÁREA DE INVESTIGACIÓN 4.1. UBICACIÓN Y ACCESO .................................................................................. 71. 4.1.1 Geografía ............................................................................................................. 74 4.1.2 Topografía ........................................................................................................... 74 4.1.3 Reseña histórica .................................................................................................. 74 4.2. GEOLOGÍA ........................................................................................................ 76. 4.2.1 Geología regional ................................................................................................ 76 4.2.2 Geología local ..................................................................................................... 77 4.2.3 Geología estructural ............................................................................................ 79 4.2.4 Geología económica ............................................................................................ 79 4.2.5 Zoneamiento y paragénesis ................................................................................. 80 4.2.6 Estructuras mineralizadas .................................................................................. 80 4.2.7 Recursos minerales ............................................................................................. 81 viii.

(9) 4.2.8 Reservas de mineral ............................................................................................ 83 4.2.9 Mineral económico ............................................................................................. 83 4.2.10 Mineral marginal ................................................................................................. 84 4.2 11 Factores de minado ............................................................................................. 84 4.2.12 Remanentes o de recuperación ............................................................................ 86 4.2.13 Valorización del mineral ..................................................................................... 86 4.2.14 Estimación de reservas y recursos a fin de año 2011 hasta el 2015 ................... 87 4.3. GEOMECÁNICA ................................................................................................. 89. 4.3.1 Evaluación geomecánica ..................................................................................... 89 4.3.2 Investigación geotécnica de campo..................................................................... 89 4.3.3 Ubicación de estaciones geotécnicas .................................................................. 90 4.3.4 Investigación geotécnica de laboratorio .............................................................. 91 CAPÍTULO V EXPOSICIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS 5.1. ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS DE VENTILACIÓN .................................. 93. 5.1.1 Circuito de extracción del nivel 4 890 ................................................................ 94 5.1.2 Circuito de extracción del nivel 4 940 .............................................................. 105 5.1.3 Circuito de extracción del nivel 4 980 .............................................................. 113 5.2. ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS DE VENTILACIÓN ................................ 120 ix.

(10) 5.2.1 Análisis de alternativas a corto plazo ................................................................ 120 5.2.2 Diseño de la red de ventilación ......................................................................... 124 CONCLUSIONES ........................................................................................................ 126 RECOMENDACIONES ............................................................................................... 127 BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 128 ANEXOS ...................................................................................................................... 130. x.

(11) ÍNDICE DE TABLAS Pág. Tabla 2,2. Longitudes equivalentes ............................................................................ 39. Tabla 2,3. Contaminantes del aire ............................................................................. 41. Tabla 2,4. Oxígeno consumido por los seres humanos. ............................................. 42. Tabla 2,5. Composición del aire atmosférico ............................................................. 43. Tabla 3,2. Requerimiento de personal por guardia ..................................................... 61. Tabla 3,3. Requerimiento de personal por guardia ..................................................... 61. Tabla 3,5. Requerimiento de caudal de aire para dilución de gases de voladura ....... 63. Tabla 3,6. Consumo de explosivos (Kg) .................................................................... 63. Tabla 3,7. Decreto Supremo N° 055-2010-EM .......................................................... 64. Tabla 3,8. Ecuación de Novitsky ................................................................................ 64. Tabla 3,9. Requerimiento global y cobertura general de aire ..................................... 65. Tabla 3,10. Balance de aforos....................................................................................... 65. Tabla 3,11. Balance total de aire .................................................................................. 65. Tabla 3,14. Ventana de Ventsim Visual ........................................................................ 69. Tabla 4,1. Acceso a la mina por ciudad de Lima........................................................ 72. Tabla 4,2. Acceso a la mina por ciudad de Huancayo ................................................ 72. Tabla 4,3. Coordenadas de los vértices de concesión Heraldos Negros N° 1 ............ 73 xi.

(12) Tabla 4,4. Coordenadas de los vértices de concesión Heraldos Negros Nº 2............. 73. Tabla 4,5. Coordenadas de los vértices de concesión Heraldos Negros Nº 5............. 73. Tabla 4,6. Precio de metales ....................................................................................... 86. Tabla 4,7. Reservas de mineral ................................................................................... 87. Tabla 4,8. Reservas y recursos ................................................................................... 88. Tabla 4,9. Ubicación de estaciones geotécnicas nivel 4 980 ...................................... 90. Tabla 4,10. Ubicación de estaciones Geotécnicas nivel 4 940 ..................................... 91. Tabla 4,11. Ubicación de estaciones Geotécnicas nivel 4890 ...................................... 92. Tabla 5,1. Parámetros de conductos de ventilación .................................................... 94. Tabla 5,2. Calibración del programa .......................................................................... 96. Tabla 5,3. Calibración de los gases en mina ............................................................... 97. Tabla 5,4. Curvas de nivel del ventilador en nivel 4 890 ........................................... 99. Tabla 5,5. Curvas de nivel del ventilador en nivel 4 890 ......................................... 100. Tabla 5,6. Curvas de nivel del ventilador en rampa 300 .......................................... 101. Tabla 5,7. Análisis de conductos de ventilación....................................................... 102. Tabla 5,8. Análisis de conductos de ventilación del chimenea 250 ......................... 104. Tabla 5,9. Análisis de conductos de ventilación boca mina nivel 4 940 .................. 105. Tabla 5,10. Análisis de conductos de ventilación boca mina nivel 4940 ................... 106. Tabla 5,11. Análisis de conductos de ventilación de chimenea 230 .......................... 108 xii.

(13) Tabla 5,12. Análisis de conductos de ventilación del by pass 180 ............................. 109. Tabla 5,13. Análisis de conductos de ventilación del ventilador 01 .......................... 110. Tabla 5,14. Análisis de conductos de ventilación en galería 015 ............................... 111. Tabla 5,15. Análisis de conductos de ventilación....................................................... 112. Tabla 5,16. Análisis de conductos de ventilación en nivel 4 980 ............................... 113. Tabla 5,17. Análisis de conductos de ventilación en boca mina 4 980 ...................... 114. Tabla 5,18. Análisis de curva del ventilador .............................................................. 116. Tabla 5,19. Análisis de curva del ventilador 09 ......................................................... 117. Tabla 5,20. Análisis de curva del ventilador .............................................................. 118. Tabla 5,21. Análisis de curva del ventilador .............................................................. 119. Tabla 5,22. Ventiladores que trabajan en el programa ............................................... 120. xiii.

(14) ÍNDICE DE FIGURAS Pág. Figura 2,1:. Primera ley de Kirchhoff. ........................................................................ 24. Figura 2,2:. Segunda ley de Kirchhoff. ....................................................................... 25. Figura 2,4 a: Esquema lineal. ....................................................................................... 27 Figura 2,4 b: Circuito en serie. ..................................................................................... 28 Figura 2,5:. Circuito en paralelo. ................................................................................ 30. Figura 2,8:. Balance total de aire. ............................................................................... 66. Figura 5,1:. Ventilador en mina. ................................................................................. 98. Figura 5,6:. Análisis de cortina en mina. .................................................................. 107. Figura 5,9:. Análisis alternativo de la mina. ............................................................. 121. Figura 5,10:. Análisis alternativo de la mina. ............................................................. 122. Figura 5,12:. Diseño de red de ventilación. ................................................................ 125. xiv.

(15) RESUMEN El presente trabajo de investigación titulado Optimización del Sistema de Ventilación con el Software Ventsim Visual en la U.E.A. Heraldos Negros de la Compañía Minera San Valentín S,A. - Huancavelica . Actualmente la Unidad Minera con la inserción de los equipos Trackless en las unidades de producción, transporte y servicios, los requerimientos de aire sufren un incremento dramático al punto de poner en evidencia que muchas operaciones mineras no están en la capacidad operativa de poder mecanizar la mina, debido principalmente a que los requerimientos de los equipos con motores de combustión diésel pueden llegar a representar el 60-80% del requerimiento de aire total. El objetivo del trabajo de investigación es optimizar el sistema de ventilación mediante la evaluación de la cobertura de aire en las labores mineras con el software Ventsim Visual en la U.E.A. Heraldos Negros de la Compañía Minera San Valentín S.A. – Huancavelica. Para realizar el presente trabajo de investigación se ha considerado las bases teóricas y prácticas, siguiendo una metodología de la investigación. En su etapa inicial se ha analizado el estado actual del sistema de ventilación operativa de la mina Heraldos Negros, administrada por la compañía minera San Valentín S.A.; mediante un levantamiento de campo y posterior simulación del estado de la mina con el software Ventsim Visual, proporcionando una mejor idea del sistema de ventilación actual en la mina y un respaldo fiable para estar en la capacidad de optimizar a corto, mediano y largo plazo el proceso operativo de ventilación de mina. El uso del software Ventsim Visual nos permitió optimizar el sistema de ventilación de la Mina San Valentín S.A., considerando el uso de ventiladores y costo de energía. Palabras clave: Minería, Optimización, planeamiento, ventilación, ventsim visual.. 15.

(16) INTRODUCCIÓN En. la U.E.A. Heraldos Negros de la Compañía Minera San Valentín S.A. -. Huancavelica las actividades de explotación del yacimiento y servicios auxiliares constituyen como una de las etapas más importantes para su desarrollo y es necesario tener mucha atención en el diseño del sistema de ventilación para alcanzar los mejores resultados en las operaciones de minado subterráneo y considerando estos fundamentos se realiza la presente tesis titulado Optimización del Sistema de Ventilación con el Software Ventsim Visual en la U.E.A. Heraldos Negros de la Compañía Minera San Valentín S,A. - Huancavelica Para la evaluación del sistema de ventilación, es importante reducir al mínimo cualquier cambio en el proceso de ventilación. para obtener. los mejores resultados en el. levantamiento de los puntos de muestreo e ingresar dicha base al software Ventsim Visual, y realizar una buena distribución del aire limpio. La aplicación del software Ventsim Visual, en la evaluación de la cobertura de aire en las labores mineras subterráneas, beneficiará económicamente a la U.E.A. Heraldos Negros de la Compañía Minera San Valentín S.A. – Huancavelica. El trabajo de investigación se divide en cinco capítulos, en el capítulo I, se considera el planteamiento del problema motivo de tesis, en el capítulo II, se desarrolla el marco teórico analizando las bases teóricas fundamentales y definiciones conceptuales que serán la base para realizar el trabajo de investigación, en el capítulo III, se describe el proceso de la metodología de la investigación y la operacionalización de variables, en el capítulo IV, se desarrolla la caracterización del área investigación y en el capítulo V, se plantea la exposición y análisis de resultados de la Optimización del Sistema de. 16.

(17) Ventilación con el Software Ventsim Visual en la U.E.A. Heraldos Negros de la Compañía Minera San Valentín S,A. – Huancavelica.. 17.

(18) CAPÍTULO I PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1. DESCRIPCIÓN DE LA REALIDAD PROBLEMÁTICA En la minería actual, se requiere una explotación permanente y continua, con lo. cual el requerimiento de aire se ha convertido en un factor clave para que los trabajadores puedan cumplir con la producción en los tiempos estimados y bajo los estándares requeridos, y ya sea mediante una ventilación natural o forzada, este requerimiento debe ser administrado a todos los frentes de trabajo en la cantidad y calidad necesarias. Es con la inserción de los equipos trackless que las unidades de producción, transporte y servicios, los requerimientos de aire sufren un incremento dramático al punto de poner en evidencia que muchas operaciones mineras no están en la capacidad operativa, logística ni de diseño de poder mecanizar la mina, debido principalmente a que los requerimientos de los equipos con motores de combustión diesel pueden llegar a representar el 60 - 80% del requerimiento de aire global.. 18.

(19) De igual forma, el actual marco legal minero peruano (D.S. 055-2010-EM) contempla una serie de estándares tanto en el requerimiento de aire para personal Y equipos diésel como en la calidad del aire que es administrado a las labores en general. De igual forma también contempla una serie de aspectos relacionados con la ventilación dentro de la mina, desde los estándares de trabajo de los ventiladores, aspectos de seguridad de sistema de ventilación, respuesta frente a emergencias, ventilación en cámaras de carga y polvorines, hasta la disponibilidad logística de planos isométricos y evaluaciones semestrales/anuales del sistema de ventilación general y de cada circuito existente en la unidad minera. A fines del año 2014 la mina Heraldos Negros requirió realizar un estudio de los circuitos de ventilación de forma detallada, por un lado por un alarmante incremento de las labores con problemas de ventilación, ya sea por la recirculación de aire o por el estancamiento de gases debido a bajas velocidades del aire, y por otro lado con el crecimiento de la mina Heraldos Negros. 1.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA. 1.2.1 Pregunta general ¿Cómo se optimiza el sistema de ventilación mediante la evaluación de cobertura de aire en las labores mineras con el Software Ventsim Visual en la U.E.A. Heraldos Negros de la Compañía minera San Valentín S.A.-Huancavelica? 1.2.2 Preguntas específicas . ¿Cómo se evalúa la cobertura de aire considerando todas las labores operativas de. la. Unidad. minera. Heraldos. Negros. de. la. Compañía. minera. San Valentín S.A. – Huancavelica? 19.

(20) . ¿Cómo se optimiza el sistema de ventilación con el Software Ventsim Visual en la U.E.A. Heraldos Negros de la Compañía minera San Valentín S.A.?. 1.3. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN. 1.3.1 Objetivo general Optimizar el sistema de ventilación mediante la evaluación de la cobertura de aire en las labores mineras con el Software Ventsim Visual en la U.E.A. Heraldos Negros de la Compañía minera San Valentín S.A. – Huancavelica. 1.3.2 Objetivos específicos . Evaluar la cobertura de aire considerando todas las labores operativas de la Unidad minera Heraldos Negros de la Compañía minera San Valentín S.A. – Huancavelica.. . Optimizar el sistema de ventilación con el Software Ventsim Visual en la U.E.A. Heraldos Negros de la Compañía minera San Valentín S.A.- Huancavelica.. 1.4. JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN Es técnico fiable a través del cual se direccionó sus mejoras en lo referente a. ventilación, así como estar en la capacidad de refrendar cualquier observación realizada por un proceso de fiscalización minera de parte de las entidades del estado peruano. La ventilación de una mina es el proceso continuo de proveer aire fresco y un ambiente laboral seguro y confortable para todas las áreas de la mina en donde haya personal y equipos que puede ser requerido para trabajar. Hay cuatro razones principales por las que se debe de proveer ventilación en las labores de la mina: 20.

(21) . Proveer oxígeno para propósitos de respiración.. . Para diluir y remover polvo.. . Para diluir y remover gases nocivos y pestilentes. 21.

(22) CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO 2.1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN Centeno (2011), en su tesis Evaluación de ventilación natural y mecánica que. influye en el diseño del sistema de ventilación de galería 635 oeste nivel 1950, mina Calpa - Arequipa, concluye que para diseñar apropiadamente el sistema de ventilación, hay que conocer bien la ventilación que es en serie y su dimensionamiento es 101 279,521 pies cúbicos, el caudal necesario será de. 24 000 cfm y la caída de presión. de 0,28 pulgadas de agua en la manga, por eso un buen cálculo de la red de ventilación implica un diseño más adecuado de los ventiladores en su aplicación. Enríquez (2011), en su tesis Evaluación del sistema de ventilación de la mina San Vicente- Compañía minera San. Ignacio de Morococha aplicando el software. Ventsim 3,9 , de la Facultad de Ingeniería de Minas-UNA- PUNO. Concluye que durante la evaluación del sistema de ventilación, es importante reducir al mínimo cualquier cambio en el sistema de ventilación, reparar puertas o tapones durante el estudio podría arrojar resultados confusos. Se tiene que mantener la mina lo más estática. 22.

(23) posible durante el estudio, para que se puedan obtener las mejores y más exactas medidas, evitar el tránsito de equipos y el apagado de ventiladores principales. Corimanya y Méndez (2011), en su tesis Los procesos de diagnóstico y evaluación del sistema de ventilación de mina se han llevado a cabo en el Perú desde el ingreso de las empresas mineras a territorio nacional, cobrando una especial significancia a partir del año 1992 con la TUO de la Ley General de Minería. 2.2. BASES TEÓRICAS. 2.2.1 Leyes de Kirchhoff Gustav Robert Kirchhoff (1824 – 1887) Las leyes de Kirchhoff aplicadas originalmente en circuitos eléctricos, también puede aplicarse en los circuitos de ventilación de minas, donde los caudales de aire y caídas de presión son análogos a la corriente y voltaje respectivamente. . Primera ley de Kirchhoff (ley de continuidad) La primera ley de Kirchhoff para redes de ventilación en minas establece que la. suma algebraica de todo flujo de aire en cualquier unión o nodo es cero. Esto se refiere a que la suma de todas las cantidades de aire que fluyen hacia una unión debe ser igual a la suma de todas las cantidades de aire que salen del nodo. (Ver Figura 2,1). ∑Q = 0. (2.1). Q1 + Q 2 = Q 3 + Q 4. (2.2). 23.

(24) Q1. Q3. Q2. Q4. Figura 2,1: Primera ley de Kirchhoff. Fuente: (Hartman, 1991).. . Segunda Ley de Kirchhoff (Ley de circulación) La segunda. Ley de Kirchhoff, en forma análoga establece que la suma. algebraica de las caídas de presión de todos los ramales integrantes de una malla es cero. (Ver Figura 2,2). En el caso específico de ventilación minera, es normal que existan de por medio presiones de ventiladores (Pf) ubicados en alguna malla, así como presiones por ventilación natural (pvn), los cuales hay que tener en cuenta estos factores. ∑𝑷 = 𝟎. (2.3). 𝑷𝑻 = 𝑷𝒂 + 𝑷𝒃 + 𝑷𝒄 − 𝑷𝒅 = 𝟎. (2.4). 24.

(25) Figura 2,2: Segunda ley de Kirchhoff. Fuente: (Hartman, 1991).. 2.2.2 Método de Hardy Cross La técnica que ha encontrado la más amplia difusión es el método desarrollado por Hardy Cross. Esta técnica iterativa considera un flujo de aire Q que pasa a través de un conducto de resistencia (R), en el cual se cumple la relación. 𝑷 = 𝑹𝑸𝟐. (2.5). Para determinar el valor verdadero del flujo Q, el valor Qa inicial es estimado tal que: 𝑸 = 𝑸𝒂 + ∆𝑸. (2.6). Donde Q es el error existente en el Qa asumido. El problema ahora es encontrar el valor Q a ser aplicado al valor asumido de Qa. Sí consideramos la representación real de los conductos de aire en una mina, esto no se encuentran aislados, sino integrados a una red de conductos, cuya magnitud también depende de la extensión de la red (Hartman, 1991).. 25.

(26) 2.2.3 Circuitos de ventilación En ventilación de minas hay dos tipos de combinación de galerías por donde fluye el flujo de los sistemas de ventilación; y son flujos en serie a través de galerías en línea y flujos en paralelo a través de galerías en bifurcaciones hacia paralelo y ambas se acoplan una después de la anterior formando una red, la cual tiene que ser calculada en volúmenes y resistencias para conocer la resistencia o estática total de la red y sus volúmenes y poder pedir el ventilador adecuado. Es decir esta red está formada por circuitos en serie y circuitos en paralelo existiendo la necesidad de convertir los circuitos en paralelo en circuitos en serie para tener un solo circuito en línea que nos dé un valor de la resistencia que vencer. . Circuitos en serie Este circuito tiene las siguientes relaciones: El volumen total de aire es el mismo a través de todo el circuito desde que. ingresa el aire a la mina hasta que sale de ella es decir: 𝑄𝑇 = 𝑄1 = 𝑄2 = 𝑄3 = 𝑄4 = ... (2.7). La resistencia total es igual a la suma de las pérdidas o resistencias de cada una de las galerías por donde viaja el flujo, esto es: 𝑃𝑇 = 𝑃1 + 𝑃2 + 𝑃3 + 𝑃4 + ... (2.8). La relación que hay entre (𝑃𝑇 ) y el volumen 𝑄𝑇 del flujo que viaja es igual 𝑃𝑇 = 𝑅𝑄 2. (2.9). 𝑃𝑇 = 𝑅𝑄 2 = 𝑅1 𝑄12 + 𝑅2 𝑄22 + 𝑅3 𝑄32 + 𝑅4 𝑄42 = 𝑄 2(𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3 + 𝑅4 +... (2.10). 26.

(27) Pero como todos los volúmenes son iguales podemos escribir que: 𝑅𝑇 = 𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3 + 𝑅4 +... (2.11). En un circuito en serie dentro de una mina de vetas verticales el circuito sería el siguiente (Ver Figura 2,3).. a b Tabique o puerta e. g. c. d f. (a). Figura 2,3: Circuito en serie con puertas que regulan el aire conforme a sus necesidades. Fuente: (Hartman, 1991).. Figura 2,4 a, en su esquema lineal para cálculo de cada una de las PL o resistencia es la siguiente:. a. b. c. d. e. f. g. (b). Figura 2,4 a: Esquema lineal. Fuente: (Hartman, 1991).. En circuitos en serie los requerimientos de fuerza o energía eléctrica son altos, para un determinado volumen, porque los HP para trasladar el peso del aire son acumulativos (Ver Figura 2,4 b). Que calculados y analizados nos dice cuál es el tramo más resistente en mina que debemos inspeccionar para mejorarlo y ver el modo de reducir esta resistencia.. 27.

(28) B. A. A. B. Q. Q R3. R2. R eq= R 1+R 2 +R 3. Q. Q. R2. (a). Figura 2,4 b: Circuito en serie. Fuente: (Hartman, 1991).. . Circuitos en paralelo Es cuando el flujo o volumen total de aire es distribuido o dividido en varias. galerías. En la ventilación de minas cuando se está haciendo un circuito en paralelo se dice que se está haciendo un splitting y cada ramal del circuito en paralelo se llama split y este circuito paralelo tiene las siguientes relaciones: Cuando el flujo pasa por galerías en paralelo, o galerías que se bifurcan el volumen total es la suma de los volúmenes que pasa por cada ramal: 𝑄𝑇 = 𝑄1 + 𝑄2 + 𝑄3 + 𝑄4 + ... (2.12). La pérdida de resistencia es la misma a través de cualquier ramal o galería: 𝑃𝑇 = 𝑃1 = 𝑃2 = 𝑃3 = 𝑃4 = ... (2.13). Pero sabiendo que P = 𝑅𝑄 2, podemos decir que la P podemos hallarlo conociendo la R y el Q sin necesidad de usar la fórmula de resistencia y de lo anterior podemos decir también que: 𝑷. 𝑷. 𝑷. 𝑷. 𝑸𝑻 = √ 𝟏 + √ 𝟐 + √ 𝟑 + √ 𝟒 𝑹 𝑹 𝑹 𝑹 𝟏. 𝟐. 𝟑. 𝟒. (2.14). 28.

(29) Pero como: 𝑷𝑻 = 𝑷𝟏 = 𝑷𝟐 = 𝑷𝟑 = 𝑷𝟒 = ... (2.15). Tendremos que: 𝟏 √𝐑. =. 𝟏 √𝐑 𝟏. +. 𝟏 √𝐑 𝟐. +. 𝟏 √𝐑 𝟑. +. 𝟏 √𝐑 𝟒. + ... (2.16). Nos dice que cada R o resistividad involucra a las características de cada galería o conductos de los cuales queremos conocer sus resistencias, con datos obtenidos en el mapeo de campo que nos permiten calcular las resistencias de estos conductos. Si la estática es la misma o constante 𝐏𝟐 = 𝐏𝐋𝟏 = 𝐏𝐋𝟐 . .. 𝑷. 𝑸 = √ 𝑹𝑳. (2.17) 𝑷. ó 𝑸 = √ 𝑹𝟏. (2.18) 𝟏. Y si podemos escribir o decir que: 𝑸=. 𝟏 √𝑹. y. 𝑸𝟏 =. 𝟏 √𝑹𝟏. (2.19). Y si estas igualdades las dividimos tendremos que:. 𝑸 𝑸𝟏. =. 𝟏 √𝑹 𝟏 √𝑹𝟏. (2.20). De donde 𝑸𝟏 es igual a:. 𝑸 𝟏 = 𝑸𝑿 =. 𝟏 √𝑹 𝟏 √𝑹𝟏. (2.21). 29.

(30) Que es una de las relaciones que indica que conocidas las características o resistividad de las galerías 𝐑 𝟏 y R el volumen Q que queremos distribuir, podemos hallar el volumen que pasará por 𝐐𝟏 . Esta igualdad da solución a muchos problemas de ventilación minería con solo conocer las características de cada ramal. Y el valor de R lo obtenemos de la fórmula: 𝑹=. 𝑲𝑷𝒆𝒓(𝑳+𝑳𝑬). (2.22). 𝟓.𝟐𝑨𝟑. Ecuación, en la que tenemos todos los datos que hemos obtenido en el mapeo de mina y que ahora nos sirven para hallar las resistencias por cálculos y poder distribuir el volumen principal por diferentes ramales conforme exigen las operaciones En minería subterránea un circuito de ventilación en paralelo es del siguiente modo (Ver Figura 2,5).. Q. A. Q1. R1. Q2. R2 R3. Q3. Q B. A. B. 𝑹𝒆𝒒 =. (a). (. (b). 𝟏 𝟏 𝟏 𝟏 + + √𝑹𝟏 √𝑹𝟐 √𝑹𝟑. ). Figura 2,5: Circuito en paralelo. Fuente: (Hartman, 1991).. Y su esquema para calcular el circuito es el siguiente: d 1 a. I. e b c f. 2. h g. Para el cálculo de las resistencias inicie por determinar la resistencia equivalente de ceh y de cfgh, esta resistencia equivalente hay que calcular con la resistencia d para. 30.

(31) tener otra resistencia equivalente la que se sumará a la resistencia de a é i para tener la resistencia total desde el punto 1 al punto 2 y poder pedir el ventilador adecuado. Una determinada cantidad de aire cuando se establece circuitos en paralelo. Cada tajo debe ser un ramal de un circuito en paralelo para lograr frescura y aire no tan contaminado pero de modo controlado, en la cantidad que requiere este a la velocidad mínima de transporte. Muchos tajos no tienen la velocidad mínima que todo supervisor debe exigir. 2.2.4 Ley básica de la ventilación de minas Las leyes del estado del flujo de aire indican que por una cantidad de aire que circule entre dos puntos, debe de existir una diferencia de presión entre estos puntos. La relación entre la diferencia de presión (P) y la cantidad de flujo de aire (Q). Si no existe una diferencia de presión no existe una cantidad de flujo, es decir si P = 0, Q = 0. Mientras mayor sea P, mayor será Q. En el caso de aquel aire de mina que circula subterráneamente en donde el patrón del flujo es turbulento (es decir, como un río que fluye en los rápidos), la relación entre las dos cantidades puede expresarse en la ley cuadrática: 𝑃 = 𝑅𝑄 2 P. :. Pérdida de presión (Pa). R. :. Resistencia (𝑁𝑠 2 /𝑀8 ). Q. :. Flujo del volumen (𝑀3 /S). El término R de la ecuación se denomina como la resistencia del conducto de ventilación o del ducto al cual se aplica. 31.

(32) Si es necesario duplicar el volumen del aire que circula a través del ducto o del conducto de ventilación, la presión requerida no es el doble de la presión original sino el cuádruple, es decir 22 por la presión original. Similarmente para triplicar la cantidad requerida, se debe aumentar nueve veces la presión original, es decir 32 por la presión original (Centeno Q., 2011). 2.2.5 Ecuación de energía total En cualquier sección de un ducto, la energía total está representada por la suma de los siguientes tres componentes: una energía estática, una energía de velocidad (dinámica) y una energía potencial, cuando se considera un fluido en movimiento entre dos secciones, además de las tres clases de energía tiene relevante importancia una cuarta clase de energía: la energía mecánica. Luego, para dos puntos de un ducto (1 y 2) la ecuación de la energía total está dada por (Ver Figura 2,6). (𝑬𝒏𝒆𝒓𝒈í𝒂𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍)𝟏 = (𝑬𝒏𝒆𝒓𝒈í𝒂𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍 (𝑷é𝒓𝒅𝒊𝒅𝒂𝒔𝒅𝒆𝑬𝒏𝒆𝒓𝒈í𝒂)𝟏−𝟐 Sustituyendo las expresiones anteriores por las diferentes clases de energía se tiene: La Ecuación de Bernoulli 𝑷𝟏 𝒘. 𝑽𝟐. + 𝟐𝒈𝟏 + 𝒁𝟏 =. 𝑷𝟐 𝒘. 𝑽𝟐. + 𝟐𝒈𝟐 + 𝒁𝟐 + 𝑷𝒑. (2.24). Donde: 𝑃 𝑤 𝑉2 2𝑔. = Energía estática.. = Energía de velocidad.. Z. = Energía potencial.. Pp. = Pérdida de energía debido al flujo. 32.

(33) P. = Presión absoluta (kPa o Pa). w. = Densidad (kg/m3 ). V. = Velocidad (m/s). g. = Aceleración gravitacional (m/s 2 ) Por lo tanto la ecuación anterior puede ser representada: 𝑷𝒕𝟏 = 𝑷𝒕𝟐 + 𝑷𝑷. (2.25). En términos de presiones: 𝑷𝒔𝟏 + 𝑷𝒗𝟏 + 𝑷𝒛𝟏 = 𝑷𝒔𝟐 + 𝑷𝒗𝟐 + 𝑷𝒛𝟐 + 𝑷𝒑. Fuente de energia termica añadida. 2. Fuente de energia mecanica añadida. 1. (2.26). Resistencia al flujo por friccion o choque. Z2. Z1 Base de Referencia. Figura 2,6: Flujo de fluidos a través de un ducto. Fuente: (Hartman, 1991).. 2.2.6 Ecuación modificada de energía Utilizando las ecuaciones anteriores, los cálculos se hacen complicados principalmente debido a las dificultades en determinar (Pp), que son las elevaciones de los diferentes lugares de trabajo. Estas dificultades pueden ser superadas si los cálculos se efectúan utilizando un procedimiento estándar donde el término de elevación es omitido. Sin embargo esta omisión implica modificar la ecuación general de energía. Se debe enfatizar que para cada 70 pies de desnivel entre dos puntos, la presión potencial 33.

(34) aumenta en 1” H2 O, empero la presión estática disminuye en una magnitud equivalente, habiendo en muchos casos compensación de presiones. Un procedimiento común para superar estas dificultades consiste en utilizar presiones manométricas en lugar de las presiones absolutas, luego la ecuación modificada de energía aplicada en ventilación de minas está dada por: 𝑃𝑡1 = 𝑃𝑡2 + 𝑃𝑝. (2.27). 2.2.7 Pérdidas de presión La energía suministrada a un fluido en movimiento, por medios naturales y mecánicos, es suministrada íntegramente para vencer las pérdidas de presión Pp. En el flujo de fluidos por ductos se distinguen dos clases de pérdidas: Pf. = Pérdidas debido a la fricción.. Px. = Pérdidas debido al choque Y están relacionadas en la siguiente ecuación: Pp = Pf + Px. (2.28). Pf, representa la pérdida de energía debido al paso del aire por ductos de sección uniforme y Px, representa la pérdida de energía por cambios de dirección en la corriente del aire, cambios en la sección del ducto, admisiones, descargas finalmente debidas a uniones y acoples de un sistema de ventilación. Las pérdidas anteriores causan la disminución de la presión estática (Ps) y en muchos casos, especialmente la Px, la transformación de la presión de velocidad (Pv) a presión estática (Ps) o viceversa.. 34.

(35) 2.2.8 Presiones de una mina Para determinar la magnitud de la presión. artificial es necesario sumar. algebraicamente las presiones componentes de los elementos de un circuito y balancear las mismas para todos los circuitos de una red de ventilación. Esta presión se denomina generalmente presión total de la mina y se representa: 𝑷𝒕(𝒎𝒊𝒏𝒂) = 𝑷𝒔(𝒎𝒊𝒏𝒂) + 𝑷𝒗(𝒎𝒊𝒏𝒂). (2.29). 2.2.9 Presión estática La presión estática es la presión ejercida por el aire en las paredes del ducto, la cual tiende a forzarlas a expandirse. Es la cantidad total de energía necesaria para vencer las pérdidas de presión de un ducto: 𝑷𝒔 = 𝑷𝒑 = 𝑷𝒇 + 𝑷𝒙. (2.30). 2.2.10 Presión de velocidad (Pv) La presión de velocidad se define como la presión resultante del movimiento del aire. Mientras más rápido se mueve el aire, o mientras mayor sea la velocidad del aire, mayor será la presión de la velocidad del aire y viceversa. Es la cantidad de energía necesaria para vencer las pérdidas por cambio en el diámetro del ducto expresada en términos de velocidad del aire en la descarga: 𝑽𝟐. 𝑷𝒗 = 𝟐𝒈. (2.31). 35.

(36) 2.2.11 Pérdida de presión por fricción En ventilación de minas la pérdida de presión por fricción representa del 70 % al 90 % de la presión total de la mina, consiguientemente será muy útil determinar con la suficiente precisión utilizando los coeficientes apropiados (Ver Figura 2,7).. Hv. 1. HL. Presión T. HS. otal. 1. Pres. 1. HT. ión E. státic. a. HV. 2. HT. 1. HS HZ. 2. 2. 1. 2. Presión de elevación (potencial). Base de Referencia. HZ. 2. Figura 2,7: Gradiente de presiones. Fuente: (Hartman, 1991).. 2.2.12 Fórmula de Atkinson El valor de la resistencia (R) depende de ciertas características del conducto de ventilación o del ducto; por ejemplo, si uno de los conductos de aire cuenta con un área pequeña y otra grande y todos los factores son constantes, el aire circula con mayor facilidad a través del segundo conducto de ventilación. En otras palabras, mientras el conducto de ventilación sea de mayor tamaño, más baja será la resistencia (R) del conducto. Si en un conducto el aire debe friccionar contra un área o superficie de mayor tamaño, la resistencia será mayor en el conducto con la “superficie de fricción” de mayor tamaño. La superficie de fricción se calcula multiplicando la circunferencia por la longitud. 36.

(37) Finalmente, si las paredes de un conducto son lisas y las de otro son ásperas y el resto de los factores son iguales, la resistencia del conducto liso será menor que la del conducto áspero, es decir, el “factor de fricción” depende de la naturaleza de la superficie del conducto de ventilación. La Fórmula de Atkinson considera estos factores y expresa: 𝑲𝑪𝑳𝑸𝟐. 𝑷=. 𝑨𝟑. 𝑲𝑪𝑳𝑽𝟐. 𝑷=. 𝑨. 𝒘. ∗ 𝟏,𝟐. (2.32). 𝒘. ∗ 𝟏,𝟐. (2.33). P. =. Pérdida de presión. (Pa). C. =. Perímetro. (m). L. =. Longitud. (m). A. =. Área. (m²). Q. =. Flujo de cantidad. (m³/s). V. =. Velocidad. (m/s). K. =. Factor de fricción. (Ns²/ 𝑚4 ). w. =. Densidad del aire. (kg/m³). Cualquiera de las ecuaciones es correcta puesto que Q = V ∗ A 𝑉=. 𝑄 𝐴. El término. 𝑉2 =. y w 1,2. 𝑄2 𝐴2. (2.34). está incluido en la fórmula Atkinson para expresar que los. requisitos de presión dependen de la densidad del aire. Obviamente, se requerirá de 37.

(38) mayor presión para hacer circular aire más pesado (de mayor densidad) a través del sistema. De hecho, los requisitos de presión son directamente proporcionales con la densidad del aire (p  w). 2.2.13 Factor de fricción Los valores de K son determinados por las mediciones en diferentes galerías, tipos de rocas y sinuosidades y es un tanto laborioso obtenerlo en las galerías, por lo que obtenemos de una tabla elaborada, la cual hay que corregir por la densidad del aire de la mina para obtener el K corregido a nivel de mina esto es: 𝒘. 𝑲𝒄𝒐𝒓𝒓𝒆𝒈𝒊𝒅𝒐 = 𝒌 (𝟏,𝟐). (2.35). 2.2.14 Pérdida por choque Las pérdidas por choques son de origen local, producidas por turbulencias, remolinos, frenadas del aire al enfrentar diversos accidentes dentro del circuito. Los accidentes son cambios de dirección, entradas, contracciones, etc. Perdida de choque ocurre en las labores mineras que no tienen la uniformidad de los hastiales, o también ocurren en mala instalación de la manga por producto de las operaciones mineras. También dependen de la velocidad y del peso específico del aire. (Hartman, 1991). Los accidentes son cambios de direccion, entradas, concentracines, etc. Tambien dependen de la velocidad y del peso especifico del aire. Enriquez, J. (2 011).. 38.

(39) En la tabla nos muestra los valores de fricción, según lo que nos muestra el autor en algunos de sus artículos. (Ver Tabla 2,1 en Anexo N° 01). (Ver Tabla 2,2). Tabla 2,2 Longitudes equivalentes Labor. Le (metros). Le (pies). Codo agudo redondeado. 1. 3. Codo agudo puntiforme. 45. 150. Codo recto redondeado. 1. 1. Codo recto puntiforme. 20. 70. Codo obtuso redondeado. 1. 1. Codo obtuso puntiforme. 5. 15. Compuerta. 20. 70. Cruce (sobre galería). 20. 65. Entrada de aire. 6. 20. Descarga. 20. 65. Estrangulamiento gradual. 1. 1. Estrangulamiento Abrupto. 3. 10. Expansión gradual. 1. 1. Expansión abrupta. 6. 20. Partición en dos ramales rectos. 10. 30. Partición en dos ramales obtusos (>90°). 60. 200. Unión de dos ramales rectos. 20. 60. Unión de dos ramales obtusos (>90°). 10. 30. Carro de mina o skip (20 % de la sección del camino) 30. 100. Carro de mina o skip (40 % de la sección del camino) 150. 500. Fuente: (Hartman, 1991).. 39.

(40) 2.2.15 Ventilación de minas subterráneas y circuitos de ventilación Nociones preliminares Según Organización Mundial de la Salud (OMS). La explotación minera en el mundo tiene repercusiones económicas, ambientales, laborales y sociales. (Ver Tablas 2,3, 2,4). . La minería en el mundo, no es un generador de empleo sólo ocupa el 1 % de la mano de obra, sin embargo es responsable del 8 % de los accidentes fatales (15 000 aproximadamente), no están incluidos las enfermedades ocupacionales (Neumoconiosis, audición etc.).. . La minería en general se desarrolla alejado de centros urbanos.. . Se trabaja con factores físicos adversos (iluminación, nivel de ruido, vibraciones, trabajo en altura y otros).. . Las jornadas de trabajo son extendidas a más de 10 horas y en algunos casos a más de 40 días consecutivos.. . Trabajos en turnos nocturnos y aislados de sus compañeros.. . No se encuentra información estadística de salud ocupacional.. . La minería en el Perú es pilar productivo de la economía, en la década pasada contribuyó con más del 8 % del PBI y más del 45 % como generador de divisas. Marco normativo nacional.. . Constitución Política del Perú (1993), Art. 7º, 9º y 59º.. 40.

(41) . Ley general de Salud.- “Cap. VII sobre Higiene y Seguridad en los ambientes de trabajo”, Art. 100º, Art. 101º.. . Código civil, Art. 1 970º.. . D.S. 055 – 2010 – EM. Tabla 2,3 Contaminantes del aire Contaminantes CO. Efecto en la salud Daños a los sistemas. Principales fuentes Combustibles fósiles.. nervioso central y cardiovascular. SOx. Cardiovasculares y. Combustibles fósiles. respiratorios Conteniendo azufre NOx. Tracto respiratorio alto y. Combustión a alta temperatura. bajo. de combustibles fósiles. Hidrocarburos no. Algunos poseen. Uso de petróleo, carbón y gas. saturados y. propiedades cancerígenas,. natural.. aromáticos. terratogénicas y mutagénicas.. Partículas. Afecciones en sistemas. Actividades industriales de. respiratorio, nervioso. transporte, combustión y. central, renal,. causas naturales.. gastrointestinal. Fuente: DS-055-2010-EM.. 41.

(42) Tabla 2,4 Oxígeno consumido por los seres humanos. Grado de actividad. Respiraciones/ minuto. Aire inhalado por respiración (litros). Aire inhalado por minuto (litros). Oxígeno consumido por minutos (litros). En reposo. 16. 0,5. 8. 0,33. Actividad moderada. 30. 1,6. 48. 1,98. Actividad intensa. 40. 2,5. 100. 3,96. Fuente: DS-055-2010-EM.. Razones principales para ventilación. . Oxígeno para la respiración.. . Diluye y remueve el polvo.. . Diluye y remueve gases nocivos.. . Reduce temperaturas. Además la ventilación provee:. . Un ambiente laboral seguro y confortable. Objetivos de la ventilación minera:. . Proporcionar a la mina un flujo de aire en cantidad y calidad suficiente para diluir contaminantes, a límites seguros en todos los lugares donde el personal está en trabajo.. . Cumplir con el reglamento de seguridad e higiene minera en lo referente a ventilación y salud ambiental. 42.

(43) Principios de ventilación principal Para que exista ventilación debe haber: . Dos puntos de diferente presión ( >P a <P ). . Diferencia de temperaturas (> Tº a < Tº).. 2.3. DEFINICIONES CONCEPTUALES Aire atmosférico. El aire atmosférico es una mezcla de una serie de gases, cada uno de los cuales. tiene propiedades físicas y químicas propias. Los componentes principales del aire atmosférico puro son oxígeno y nitrógeno, existiendo además porcentajes pequeños de gases raros (argón, neón y helio) así como un porcentaje variable de dióxido de carbono. La composición del aire puro seco es (Ver Tabla 2,5). Tabla 2,5 Composición del aire atmosférico % en volumen. % en masa. Nitrógeno. 78,09. 75,53. Oxígeno. 20,95. 23,14. Dióxido de carbono. 0,03. 0,046. Argón, helio, neón, etc.. 0,93. 1,284. Fuente: (Compumet, 2013).. Atmósfera de minas. Composición del aire de minas del aire atmosférico seco es: Nitrógeno 78,08 % según volumen oxígeno 20,95; anhídrido carbónico 0,03; argón 0,93; otros gases 0,01. El contenido de vapor de agua en el aire oscila entre 0,05 y 4 % en promedio, 1 % según 43.

(44) volumen, no influye sobre la relación entre oxígeno. Al pasar por una mina, la composición del aire cambia: la cantidad de oxígeno disminuye, la del anhídrido carbónico aumenta; además, se agregan al aire se gases (CH4 , H2 S, SO2 , CO, H), vapores y polvo. Se considera que el aire de las minas está compuesto por: aire atmosférico, gases activos (gases explosivos o nocivos) y por aire muerto (mezcla de anhídrido carbónico y nitrógeno). Un hombre en reposo consume cerca de 7 litros/minutos de aire. Esta cantidad pasa a 25 litros/minutos cuando trabaja, y puede ascender hasta 40 litros. Si hace un esfuerzo considerable. El hombre aspira el aire con 17 % de oxígeno. (Jiménez, 2003). Oxígeno (𝐎𝟐 ) Es un gas desprovisto de color, sabor y olor. Su peso específico que con respecto al aire es de 1,11; es muy activo, necesario para la combustión y respiración. Las principales causas de disminución del oxígeno en el aire de mina son: . Proceso de oxidación lenta de la materia orgánica (madera de mina, combustibles, roca).. . Desprendimiento de gases por los carbones y las rocas.. . Explosiones de grisú y de polvo.. . Incendios.. . Respiración de las persona.. . Combustión de las lámparas y motores. La disminución del contenido de oxígeno hasta un 17% provoca disnea y. palpitación. El descenso por debajo del 12 a 14% puede provocar la muerte. Algunos 44.

(45) países fijan el contenido mínimo de oxígeno en las labores activas en 19,5 – 20%. Para el control del aire respecto al contenido de oxígeno en el aire de mina, se puede utilizar una lámpara minera de llama, que con la disminución del O2 en el aire por debajo de lo normal, empieza a oscurecer, y se apagan si el contenido de oxígeno es menor del 17 – 16% (Jiménez, 2003). Nitrógeno (𝐍𝟐 ) Es un gas incoloro, sin color ni sabor; de peso específico 0,97; químicamente inerte. Es prescindible para la respiración y la combustión. No es nocivo, pero el aumento de su contenido en el aire de minas es perjudicial para el hombre, por ser la causa de la disminución del oxígeno. Las fuentes de aumento del contenido de nitrógeno son: . Putrefacción de sustancias orgánicas.. . Trabajos con explosivos.. . Desprendimiento de nitrógeno de las rocas y los carbones (el grisú contiene hasta 40% de nitrógeno). Anhídrido carbónico (𝐂𝐎𝟐 ) Gas sin color y olor, con un sabor ligeramente ácido, de peso específico de 1,53;. es soluble en agua. Su punto de fusión de 57°C está por arriba de su punto de ebullición de 78,5°C. Es inofensivo para las personas hasta 0,5%; con 3% de este gas la lámpara empieza a apagarse y la frecuencia de la respiración aumenta; con un 5% la lámpara se apaga y la respiración se triplica; con 10%, puede producir estado de coma y con 20 a 25%, la muerte en algunos segundos. En pequeñas cantidades estimula la respiración. Los mineros experimentados reconocen la presencia de CO2 por la dificultad de la 45.

(46) respiración, el calentamiento de las piernas y de la piel que se enrojece; por dolor de cabeza y decaimiento general. Concentraciones mayores provocan la tos y aceleración de la respiración. El anhídrido carbónico se forma por: . Hulleras subterráneas durante la putrefacción de la madera de mina.. . Oxidación lenta del carbono.. . Descomposición de rocas carbonatadas por la acción de las aguas ácidas.. . Explosiones de grisú y polvo de carbón.. . Incendios subterráneos.. . Trabajos con explosivos.. . Respiración de las personas.. . Combustión de motores, etc. En minas bien ventiladas, el contenido de anhídrido carbónico en lugares de. trabajo no debe sobrepasar de 0,25 a 3%. Los reglamentos de seguridad fijan el contenido máximo de CO2 , para lugares de trabajo donde no debe superar el 0,5% (según volumen) y en corrientes de aire saliente el 0,75%. El anhídrido carbónico es 1,5 veces más pesado que el aire y por esto puede acumularse en el piso de las labores y en la parte inferior de las labores inclinadas. El CO2 se identifica mediante lámparas de seguridad que a la vez indica el contenido de oxígeno en el aire. La llama de la lámpara de acetileno no es indicador, ya que todavía arde cuando el hombre está asfixiado (Jiménez, 2003).. 46.

(47) Ventilación natural. Es el flujo natural de aire fresco al interior de una labor sin necesidad de equipos de ventilación. En una galería horizontal o en labores de desarrollo en un plano horizontal no se produce movimiento de aire. En minas profundas, la dirección y el movimiento del flujo de aire, se produce debido a las siguientes causas: diferencias de presiones, entre la entrada y salida. Diferencia de temperaturas durante las estaciones. El caudal de aire. Es la cantidad de aire que ingresa a la mina y que sirve para ventilar labores, cuya condición debe ser que el aire fluya de un modo constante y sin interrupciones. El movimiento de aire se produce cuando existe una alteración del equilibrio: diferencia de presiones entre la entrada y salida de un ducto, por causas naturales (gradiente térmica) o inducida por medios mecánicos. Ventilación mecánica. Es la ventilación auxiliar o secundaria y son aquellos sistemas que, haciendo uso de ductos y ventiladores auxiliares, ventilan áreas restringidas de las minas subterráneas, empleando para ello los circuitos de alimentación de aire fresco y de evacuación del aire viciado que le proporcione el sistema de ventilación general. Ventilador centrífugo. El ventilador centrífugo consiste en un rotor encerrado en una envolvente de forma espiral; el aire, que entra a través del ojo del rotor paralelo a la flecha del ventilador, es succionado por el rotor y arrojado contra la envolvente se descarga por la. 47.

(48) salida en ángulo recto a la flecha; puede ser de entrada sencilla o de entrada doble. Son ventiladores de flujo radial. La trayectoria del fluido sigue la dirección del eje del rodete a la entrada y está perpendicular al mismo a la salida. Si el aire a la salida se recoge perimetralmente en una voluta, entonces se dice que el ventilador es de voluta. En un ventilador de entrada doble, el aire entra por ambos lados de la envolvente succionado por un rotor doble o por dos rotores sencillos montados lado a lado. Los rotores se pueden clasificar, en general, en aquellos cuyas aspas son radiales, o inclinadas hacia adelante, o inclinadas hacia atrás del sentido de la rotación. Ventilador axial El ventilador axial es de diseño aerodinámico. Este tipo de ventilador consiste esencialmente en un rodete alojado en una envolvente cilíndrica o carcasa. La adición de álabes-guía, detrás del rotor, convierte al ventilador turbo-axial en un ventilador axial con aletas guía. Puede funcionar en un amplio rango de volúmenes de aire, a presiones estáticas que van de bajas a moderadamente altas y es capaz de desarrollar mayores presiones estáticas que el ventilador centrífugo a la vez que es mucho más eficiente. Los álabes-guía, en la succión o en la descarga, o en ambas partes, se han añadido para enderezar el flujo del aire fuera de la unidad a la vez que sirven de apoyo en el diseño. 2.4. FORMULACIÓN DE HIPÓTESIS. 2.4.1 Hipótesis general . Con la evaluación de la cobertura de aire en las labores mineras aplicando el software Ventsim Visual se optimizará el sistema de ventilación en la U.E.A. Heraldos Negros de la compañía minera San Valentín S.A. – Huancavelica.. 48.

(49) 2.4.2 Hipótesis específicos . Evaluando la cobertura de aire en todas las labores operativas se determinara la cantidad de aire necesario en la U.E.A. Heraldos Negros de la Compañía minera San Valentín S.A. – Huancavelica.. . Aplicando el software Ventsim visual se optimizara el sistema de ventilación en la U.E.A. Heraldos Negros de la compañía minera San Valentín S.A. – Huancavelica.. 49.

(50) CAPÍTULO III METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 3.1. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN El tipo de investigación que caracteriza al presente trabajo de investigación es el. explicativo, pues se correlaciono las condiciones de suministro de aire a partir de un proceso de proposición de situaciones varias que contemplaran todos los posibles escenarios que pudiera presentar el actual y futuro sistema de ventilación. 3.2. MÉTODOS DE INVESTIGACIÓN El método de investigación para el presente trabajo de investigación ha sido. analítico deductivo, pues la explicación y desarrollo del trabajo requerirá conocer la naturaleza y los componentes del sistema de ventilación de la mina, y a partir de ellos correlacionar los datos de campo con los parámetros requeridos como mínimos aceptables.. 50.

(51) 3.3. PROCESAMIENTO DE DATOS La información primaria brindada por los datos de campo se evaluará. superficialmente; luego se le dará una confiabilidad adecuada al nivel de la investigación, para lo que se utilizará el software Excel, AutoCAD y Ventsim Visual. Presentación de datos Cuadros descriptivos del levantamiento de campo, planos de Levantamiento de Puntos de Monitoreo de Ventilación en diseño CAD. Evaluaciones Primigenias de los Balances de Ventilación, (Ver Anexo N° 13). 3.4. POBLACIÓN La investigación tendrá como universo todas las labores de la mina, tanto. operativas como de servicio, aforos y cualesquiera que pueda intervenir en el sistema de ventilación principal, considerando a un número indeterminado de muestras por lo complejo, antiguo y profundo de la mina. 3.5. MUESTRA La muestra estará constituida por las labores del nivel 4 965. De la U.E.A.. Heraldos Negros de la compañía minera San Valentín. S.A.- Huancavelica. 3.6. OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES. 3.6.1 Variable independiente Evaluación de la cobertura de aire en las labores mineras de la U.E.A. Heraldos Negros de la Cía. Minera San Valentín. S.A. – Huancavelica.. 51.

(52) 3.6.2 Variables dependientes Optimización del sistema de ventilación en la U.E.A. Heraldos Negros de la Cía. Minera San Valentín. S.A. – Huancavelica. (Ver Tabla 3,1) (Anexo N° 02) 3.7. TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS Las técnicas para la recolección de datos de los puntos de monitoreo de. ventilación se harán según diseño sistemático de la guía de levantamiento de campo de puntos de monitoreo de ventilación. Cabe indicar que las técnicas a utilizarse están sujetas a modificación dependiendo del modelo de recolección de muestras requerido por la empresa minera anfitriona, y de cualquier observación realizada. 3.7.1 Instrumentos de recolección de datos Los instrumentos utilizados para el estudio son: . Formatos estructurados para el levantamiento de los puntos de monitoreo.. . Formatos de caracterización de ventiladores.. . Equipo de Multifuncional Digital Testo 435-4 para evaluación de Aire.. . Barómetro Digital Testo 511.. . Distanciómetro Digital Stanley.. . Tubos de Humo.. 52.

(53) Reporte diario de operación. . Avances lineales.. . Consumo de explosivos.. . Granulometría.. . Taladros disparados.. . Tiempo de carguío.. . Tiempo de transporte.. . Consumo de aire. Reporte mensual de operación.. . Labor disparada.. . Explosivo utilizado.. . Número de taladros.. . Número de horas operadas de los equipos.. . Tiempo de carguío. . Tiempo de transporte. . Consumo de aire. 53.

(54) Técnicas para el procesamiento de la información. . Se aplicaran instrumentos y procedimientos de acuerdo a lo siguiente.. . Cuadros estadísticos.. . Revisión de los datos.. 3.7.2 Toma de datos de campo Cálculo de áreas Se definió los puntos de monitoreo en los diferentes niveles de la mina, considerando que la labor tenga una sección uniforme y por donde circula el aire de toda la zona, se toma las medidas de la sección, para calcular el área de la labor se considera el ancho y altura 𝐴𝑟𝑒𝑎 = 𝐵𝑎𝑠𝑒 ∗ 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎𝑠 Estos datos quedan registrados como fijos hasta observar un cambio considerable en la sección de la estación. Se asume que estas dimensiones son las de toda la labor. Cálculo de flujo de aire Se usó tubos de humos para flujos de baja velocidad menores a 20 m/min., y el termo - anemómetro para velocidades bajas y altas. Hay dos métodos para medir la velocidad del aire utilizando anemómetros: medición continua y medición de punto fijo. Con el primer método, el instrumento es desplazado lentamente por la sección transversal de una galería, procurando cubrir toda el área del conducto en un periodo de un minuto. Dependiendo de la forma de una 54.

(55) excavación, el instrumento puede ser desplazado siguiendo una trayectoria en Sur o en “Oeste”. Una trayectoria en Sur es usada en galerías de sección alta y una trayectoria en Oeste en galerías anchas. Con el segundo método, la sección de una galería es dividida en varias subsecciones de aéreas iguales y la velocidad del aire medido en el centro de cada subsección. La velocidad actual es determinada promediando las velocidades individuales. Este método es bastante preciso pero requiere de muchas mediciones. Para la toma de las velocidades en los puntos de monitoreo, se hizo uso de un termo- anemómetro digital, se consideran 9 sub secciones para cada punto de monitoreo y se considera el promedio de las 9 muestras tomadas. 3.7.3 Análisis de datos Procesamiento de datos La información primaria brindada por los datos de campo se evaluará superficialmente; luego se le dará una confiabilidad adecuada al nivel de la investigación, para lo que se utilizará los software MS Excel, AutoCAD y. Ventsim. Visual. Presentación de datos . Cuadros descriptivos del levantamiento de campo.. . Planos de levantamiento de puntos de monitoreo de ventilación en diseño CAD.. . Evaluaciones primigenias de los balances de ventilación.. 55.

(56) 3.7.4 Levantamiento de campo de estaciones de monitoreo de ventilación Un levantamiento de ventilación es un proceso sistemático de evaluación de las condiciones de mina a través de un planteamiento de captura de una línea base del sistema de ventilación en un determinado momento. Incluye así mismo el levantamiento de los aforos de la mina (ingreso y salida), labores representativas y las características de los ventiladores y las mangas de ventilación, entre otros, dependiendo al tipo de levantamiento y al grado de calibración que se desea obtener. 3.7.5 Diseño de circuitos de ventilación y caracterización de ventiladores Toda mina dispone de un circuito de ventilación que proporciona aire fresco a las labores de operación y que eventualmente libera al medio ambiente al concluir su ciclo, ya sea por medios naturales, forzados o combinados. Para que este proceso pueda llevarse de una forma adecuada y óptima, es necesario encausar y dirigir el aire a través de las labores de la mina mediante el diseño de un circuito de ventilación, que asegurará que los caudales de aire fresco lleguen a las labores de producción, mientras que los de aire viciado salgan de la mina evitando mezclarse y crear recirculación. Un parámetro crítico en toda evaluación del sistema de ventilación de una mina es la adecuada caracterización de sus ventiladores, especialmente de los ventiladores principales y secundarios, y es partir de las hojas de fabricante que se elaboran las curvas iniciales de los ventiladores, tanto a nivel del mar como a la altura en la cual trabaja dicho ventilador, el cual será contrastado con una curva de ventilador generada a partir del levantamiento de campo, que muchas veces es inferior a la nominal, y que será validada frente a la curva de mina para determinar si el ventilador trabaja adecuadamente o se encuentra en sobrecarga. 56.

(57) 3.7.6 Caracterización en software Ventsim Visual A partir del levantamiento de ventilación inicial, y contando con una adecuada base de ventiladores, se dará inicio al levantamiento del diseño de la mina en el software, que nos brindará un modelo aproximado de la mina, el cual podrá ser calibrado ya sea desde parámetros de caudal de aire, presión y/o consumo de energía, y dependerá del grado de exactitud con la que se realice que se dispondrá de un modelo lo suficientemente fiable como para poder utilizarlo como base referencial para la proyección y ejecución inmediata de mejoras en el sistema de ventilación, brindando además la posibilidad de simular diversas situaciones en la mina, desde los cambios a partir de modificaciones en el diseño de la mina, evacuación de gases contaminados, detección de labores sin ventilación, hasta las posibilidades de la ocurrencia de un incendio al interior de la mina. 3.7.7 Cálculo de caudal global requerido Análisis de normas de Ventilación Se realizó un análisis de la norma Peruana vigente a la fecha “Decreto Supremo Nº 055-2010-EM”, correspondiente a ventilación en minas subterráneas y el análisis de otras normas internacionales. Basándonos en estas normas y en la cantidad de personal, equipos y consumo de explosivo, se realizaron los cálculos de caudal de aire necesario para ventilar adecuadamente la mina.. 57.